摆动式焊缝跟踪涡流传感器特性研究

论文摘要

工业应用中实现精确的焊缝自动跟踪的难点在于采用什么样的传感器可靠,如何准确的提取到焊缝偏差信息。因此研究既能满足焊接工艺性能要求又能广泛推广的传感器是跟踪控制系统中的关键。本文研究了电涡流位移传感器的物理特性,将电涡流位移传感器引入焊缝跟踪的研究领域,基于涡流传感器的这些优点,针对弧焊机器人焊缝自动跟踪问题,本文应用摆动式涡流传感器实现了平板对接I形坡口焊缝的自动跟踪。本文首先对焊接自动化和焊缝自动跟踪技术的国内外研究现状作了简要介绍,同时对涡流传感器的发展和应用现状进行了阐述,然后根据涡流传感器的原理及特点,分析了其用于焊缝跟踪的可行性,并提出了摆动式涡流式焊缝跟踪传感器在焊接领域的应用研究。对摆动式涡流式焊缝跟踪传感器技术的理论基础、基本设计原理进行了详细阐述并进行了仿真分析,研究了摆动式涡流式焊缝跟踪传感器特性参数的影响规律。对涡流式焊缝跟踪传感器线性度进行了优化,并以此为依据设计了适用于对接I形坡口焊缝跟踪的摆动式涡流式焊缝跟踪传感器跟踪系统,采用指数运算电路对传感器的线性度进行校正,分析了各种曲线拟合的优缺点,采用最小二乘法对传感器的特性曲线进行拟合。设计了一个凸轮摆动机构来带动传感器的摆动,并对焊缝偏差信息进行采样,然后转换为数字信号送入单片机进行比对分析。对传感器的信号采用加权积分控制法进行分析处理,选用门限区加比例控制的方法调节步进电机及十字滑架对焊缝进行跟踪,以提高响应速度,减少调节时间,以实现对焊缝的跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 焊缝跟踪传感器的研究现状及其分类
• 1.3 电涡流传感器的原理与应用现状
• 1.3.1 电涡流传感器的基本原理
• 1.3.2 电涡流传感器的发展
• 1.3.3 电涡流位移传感器在焊接中的应用
• 1.4 有限元分析在涡流式焊缝跟踪传感器研究中的应用
• 1.5 课题研究的指导思想及其意义
• 1.6 论文的主要研究内容及其安排
• 1.7 本章小结
• 第2章 涡流传感器的ANSYS 分析
• 2.1 电磁场分析的基本理论
• 2.1.1 麦克斯韦方程组
• 2.1.2 电磁场中物质本构关系方程
• 2.1.3 电磁场分析中的边界条件
• 2.2 有限元分析过程
• 2.3 有限元模型的建立
• 2.3.1 问题的定义
• 2.3.2 几何模型的建立
• 2.3.3 单元类型的选择
• 2.3.4 定义单元实常数和材料参数
• 2.3.5 划分网格
• 2.3.6 定义边界条件
• 2.3.7 求解与后处理
• 2.4 分析结果
• 2.4.1 对称线圈的涡流趋肤效应
• 2.4.2 对称线圈的涡流场的提离效应
• 2.4.3 线圈几何参数对传感器的影响
• 2.4.4 磁芯对传感器的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 传感器的非线性补偿研究
• 3.1 传感器的线性度
• 3.2 直线拟合方法对传感器线性度的影响
• 3.2.1 端点直线拟合的线性度误差分析
• 3.2.2 平均选点直线拟合线性度误差分析
• 3.2.3 最小二乘法直线拟合线性度误差分析
• 3.2.4 三种直线拟合方法对传感器线性度误差影响的比较
• 3.3 传感器线性度的修正方法
• 3.3.1 反函数法补偿的基本原理
• 3.3.2 指数补偿电路工作原理
• 3.3.3 指数补偿电路仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 焊缝自动跟踪的信号采集系统和焊缝跟踪算法的实现
• 4.1 摆动式涡流传感器应用于焊缝跟踪的原理
• 4.1.1 传感器摆动采样机构的设计
• 4.1.2 电机驱动电路的设计
• 4.2 摆动式涡流传感器焊缝跟踪系统
• 4.3 实验采样数据
• 4.4 焊缝跟踪控制原理
• 4.5 焊缝跟踪控制程序
• 4.6 本章结论
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 （个人简历、攻读硕士学位期间的论文）